Разработка технологии восстановления деталей перерабатывающей промышленности микродуговым оксидированием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат технических наук Ферябков, Александр Витальевич

• Ферябков, Александр Витальевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ферябков, Александр Витальевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯМ

1.1 Алюминиевые сплавы, применяемые в перерабатывающей промышленности и их характеристики.

1.2. Возможные способы восстановления и упрочнения деталей оборудования перерабатывающих отраслей из алюминиевых сплавов.

1.3. Микродуговое оксидирование как способ упрочнения деталей из алюминиевых сплавов.

1.3.1. Краткая характеристика способа и эксплуатационных свойств деталей, подвергнутых МДО.

1.3.2. Электролиты МДО, применяемые для восстановления и упрочнения деталей.

1.3.3. Композиционные МДО-покрытия с использованием порошков оксидов.

1.4. Обоснование возможности применения способа восстановления деталей перерабатывающих отраслей наплавкой с последующим упрочнением МДО.

1.5. Анализ условий работы и технического состояния деталей перерабатывающих отраслей из алюминиевых сплавов на примере корпусных деталей насосов СВН-80.

1.6. Выводы и задачи исследования.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ.

2.1. Выявление структурной модели трибологической системы.

2.1.1. Характеристика абразивного изнашивания.

2.1.2. Характеристика изнашивающей среды и влияние свойств абразивных частиц на изнашивание.

2.1.3. Условия изнашивания.

2.2. Обоснование методики испытаний на изнашивание.

2.3. Разработка модели изнашивания МДО-покрытий.

2.3.1. Обзор существующих моделей.

2.3.2. Модель гидроабразивного изнашивания МДО-покрытий

2.4. Выводы.

3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Материалы и оборудование для проведения исследований.

3.1.1. Образцы для проведения исследований.

3.1.2. Установка микродугового оксидирования.

3.1.3. Получение композиционных МДО-покрытий в электролитах с добавлением порошков оксидов металлов.

3.1.4. Электролиты, их приготовление, контроль, корректировка.

3.1.5. Установка и режимы аргонно-дуговой наплавки.

3.2. Методики измерения толщины, удельной массы, скорости формирования, плотности МДО-покрытий.

3.3. Методика измерения микротвердости покрытий и проведения металлографических исследований.

3.4. Методика измерения сквозной пористости покрытий.

3.5. Методика испытаний на изнашивание о закрепленные абразивные частицы.

3.6. Методика контроля сцепляемости МДО-покрытий.

3.7. Методика проведения рентгеноструктурного анализа.

3.8. Методика оптимизации параметров технологического процесса упрочнения способом МДО.

3.8.1. Цели и задачи применения метода.

3.8.2. Планирование и проведение эксперимента.

3.9. Методика измерения рН электролита и оценки его долговечности.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Исследование структуры и свойств композиционных МДО-покрытий.

4.2. Влияние химического состава наплавляемого материала и режимов МДО на свойства покрытий.

4.2.1. Толщина, скорость формирования и микротвердость покрытий.

4.2.2. Пористость покрытий.

4.2.3. Прочность сцепления покрытий.

4.2.4. Износостойкость покрытий.

4.3. Оптимизация параметров технологического процесса упрочнения способом МДО.

4.4. Выводы.

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

5.1. Рекомендации для разработки технологических процессов упрочнения деталей МДО.

5.2. Долговечность электролита и его регенерация.

5.3. Технологический процесс восстановления корпуса насоса СВН-80.

5.4. Экономическая эффективность от восстановления корпусов насосов СВН-80.

5.5. Экология.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии восстановления деталей перерабатывающей промышленности микродуговым оксидированием»

Восстановление и упрочнение изношенных деталей многие годы не теряет своей актуальности, поскольку является основным путём снижения себестоимости и повышения качества ремонта оборудования. Данный вопрос, применительно к перерабатывающим отраслям АПК, заключается не только в обеспечении технологического качества восстанавливаемых деталей при сравнительно низкой себестоимости их восстановления, но и в строгом соблюдении санитарно-гигиенических требований, исключающих загрязнение пищевых продуктов.

В условиях ограничения финансовых и материальных ресурсов, снижения поставок оборудования и запасных частей в перерабатывающее производство, старения и удорожания перерабатывающего оборудования, нехватка и дороговизна запасных частей вызывают необходимость дальнейшего развития и совершенствования технологических процессов ремонта машин. Большая роль в этом процессе отводится эффективному использованию имеющегося оборудования, постоянному поддержанию его готовности за счет технического обслуживания и ремонта.

Оборудование предприятий перерабатывающих производств АПК работает в тяжелых условиях при высоких температурах во влажной атмосфере, при значительных скоростях относительного перемещения трущихся деталей. В ряде случаев рабочие среды содержат абразивные примеси. Из-за нехватки запасных частей предприятия пищевой промышленности несут огромные убытки по причине аварийных отказов и длительного простоя оборудования, что приводит к порче пищевых продуктов, снижению их качества.

Анализ конструкторско-технологической документации оборудования перерабатывающих производств показывает, что свыше 70% быстроизнашивающихся деталей можно восстанавливать [41]. Поэтому большим резервом увеличения объемов восстановления деталей для оборудования предприятий перерабатывающих производств АПК является использование мощностей ремонтных предприятий. Однако применяемые в настоящее время технологические процессы не всегда удовлетворяют современным требованиям, в частности, многие из них не позволяют упрочнять рабочие поверхности деталей или восстановленные детали не соответствуют санитарным нормам и правилам и подвержены коррозии. Поэтому весьма актуальными являются исследования, направленные на разработку современных технологических процессов восстановления и упрочнения изношенных деталей.

Одним из способов восстановления и упрочнения деталей оборудования перерабатывающих производств, имеющих большие износы и сложную конфигурацию, является применение наплавки и микродугового оксидирования. Повышение износостойкости при восстановлении деталей увеличивает ресурс оборудования и является перспективным направлением в ремонтном производстве.

В исследованиях Маркова Г.А., Гордиенко П.С., Гнеденкова С.В., Малышева В.Н., Снежко JI.A., Черненко В.И., Мироновой М.К., Федорова В.А., Герций О.Ю., Католиковой Н.М., Эпельфельда А.В., Атрощенко Э.С., Чуфистова О.В., Барыкина Н.В., Кузнецова Ю.А., Коломейченко А.В., Денисьева С.А., Коровина А .Я., Севостьянова A.JI. и многих других, показана перспективность этого способа, позволяющая получать износостойкие, коррозионностойкие покрытия, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям ремонтного производства и санитарных норм.

За последнее время накоплен большой опыт в области микродугового оксидирования. Вместе с тем до настоящего времени этот процесс остается недостаточно изученным применительно к восстановлению и упрочнению деталей перерабатывающих производств АПК.

В настоящей работе изложены результаты исследований, направленные на разработку технологии восстановления и упрочнения деталей оборудования перерабатывающих производств АПК.

Работа выполнена на кафедре надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российского государственного аграрного заочного университета (ФГОУ ВПО РГАЗУ).

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве», Ферябков, Александр Витальевич

1.6. Выводы и задачи исследования

На основании анализа литературных данных было установлено:

1. Для восстановления деталей из алюминиевых сплавов, имеющих большие износы, рациональным способом является наплавка.

2. Большинство существующих способов упрочнения не удовлетворяет основным критериям, которые должны соблюдаться при восстановлении деталей перерабатывающих отраслей АПК, требуют сложного оборудования и больших производственных площадей.

3. Повышения износостойкости восстановленных деталей можно добиться применением упрочняющих технологий, являющихся экономичными и экологически безопасными. Одним из современных и перспективных способов восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов является МДО; данный способ наиболее приемлем для упрочнения деталей, подверженных абразивному изнашиванию.

4. МДО в электролитах с добавками порошков оксидов металлов является перспективным, поскольку позволяет существенно снизить энергоемкость процесса и повысить физико-механические свойства покрытий, и в то же время малоизученным способом упрочнения.

5. Существует проблема при получении качественных МДО-покрытий на сплавах, содержащих кремний. Решением вышеназванной проблемы при разработке технологического процесса упрочнения деталей

МДО может послужить применение для восстановления его размеров материала с минимальным содержанием легирующих элементов, отрицательно влияющих на свойства покрытий.

На основании изложенного можно сделать заключение, что целью настоящей работы является разработка технологии восстановления деталей перерабатывающего оборудования наплавкой с последующим упрочнением микродуговым оксидированием. В качестве объекта для производственной проверки предложенной технологии выбраны корпусные детали насоса СВН-80.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи исследований:

1. Выбрать электролит МДО. Исследовать влияние состава электролита МДО на толщину, микротвёрдость и структуру покрытий.

2. Выбрать наплавляемый материал для восстановления размеров изношенных деталей перед МДО-упрочнением. Исследовать влияние легирующих элементов, содержащихся в наплавленном металле, на толщину, скорость формирования, пористость, микротвёрдость МДО покрытия.

3. Исследовать абразивную износостойкость МДО-покрытий и разработать модель их изнашивания.

4. Произвести оптимизацию параметров технологического процесса упрочнения деталей МДО. Разработать технологический процесс восстановления деталей наплавкой с упрочнением композиционным МДО на примере корпусных деталей насоса СВН-80.

5. Определить экономическую эффективность технологии.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ

2.1. Выявление структурной модели трибологической системы

Повышение износостойкости восстановленных деталей возможно на основе достоверной информации о механизме разрушения их материала абразивными телами, знания процессов, происходящих в изнашиваемом слое под воздействием абразива.

Изучение характера этих процессов и оценка их удельного вклада в сопротивляемость изнашиванию позволяет определить те свойства материала, которые в набольшей мере контролируют его способность противостоять разрушению при взаимодействии с абразивом и сформулировать требования к составу и структуре МДО-покрытия.

Особенность абразивного изнашивания состоит в том, что прямое разрушение поверхностного слоя материала детали в каждый данный момент времени составляет незначительную часть от числа контактов абразивных тел с рабочей поверхностью детали. Результат взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью сопровождается сопутствующими процессами - выделением теплоты, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое, структурными превращениями и т.п. Сложность явлений, протекающих в зоне контакта абразивного тела и испытуемого материала в процессе каждого единичного акта изнашивания обусловлена большим числом факторов, зависящих от условий испытания и комплекса свойств сплавов и абразивных частиц.

Для глубокого понимания сущности абразивного изнашивания необходимо всестороннее изучение большого числа факторов, определяющих интенсивность изнашивания и выбор наиболее рациональных путей повышения долговечности деталей машин, эксплуатирующихся в абразивной среде. Выявление влияния на износостойкость каждого из этих факторов возможно лишь при использовании смежных наук - триботехники, физико-химической механики материалов, физики твёрдого тела, материаловедения, а также технологии эксплуатации машин.

За последние годы знания о природе и особенностях механизма изнашивания материалов значительно расширились благодаря применению при исследовании совершенных методик и средств изучения изменений, происходящих в поверхностных слоях изнашиваемого материала, установлению связи между характером взаимодействия твердых тел в зоне контакта и реальным строением поверхностного слоя металла. В любом случае при всех условиях изнашивание осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы, в частности законом сохранения энергии. Для того чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро или макро объем, нужно затратить энергию, по крайней мере, равную энергии, необходимой для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле в виде скрытой энергии деформации при взаимодействии с изнашивающей средой. При этом происходит разрыв межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решётки от другой и образованию новых поверхностей. Эти явления требуют для своего осуществления определённых энергических затрат и могут осуществляться, если металлу сообщено необходимое её количество.

Если пренебречь расходом энергии на трение, тепловой эффект и процессы, происходящие в самом абразивном зерне, то разрушение станет возможно только тогда, когда рабочая поверхность будет насыщена энергией, достаточной для осуществления в рабочем слое указанных выше необратимых процессов, а также зарождения и развития трещин.

Количество рабочих циклов изнашивания, необходимое для накопления в изнашиваемом материале энергии, достаточной для разрушения, составит: m = Ем/Еа.

Количество энергии, поглощаемой рабочей поверхностью и в значительной степени определяющей способность к сопротивлению изнашиванию абразивными телами, зависит от энергоёмкости процессов, протекающих в материале при взаимодействии с абразивом.

Еще одной разновидностью абразивного изнашивания является гидроабразивное изнашивание. Гидро- и газоабразивное изнашивание возникает при действии на поверхность потоков газа или жидкости, содержащих частицы абразива.

При отсутствии абразивных частиц в струях жидкостей или газов наблюдается эрозионное изнашивание.

К данной разновидности изнашивания близко кавитационное изнашивание. Кавитационное изнашивание возникает, когда жидкость обтекает края препятствий, например рабочего колеса насоса СВН. На краях препятствий резко изменяется скорость течения, образуются разрывы в кавитационные образования, заполненные паром, которые, захлопываясь, создают ударные волны. Многократное ударное воздействие расшатывает кристаллы металлической поверхности, которые через некоторое время выкрашиваются.

Структурная схема модели изнашивания МДО-покрытий представлена на рис. 2.1. В данной схеме взаимодействуют физико-механические свойства покрытий, изнашивающая среда и условия изнашивания.

1. Размер и форма абразивных зёрен. 2. Механические свойства абразива. 3. Сопутствующая среда.

1. Изнашивающая среда

1. Температура. 2. Давление. 3. Характер приложенной нагрузки. 4. Скорость относительного перемещения. 5. Степень коррозионного воздействия.

2. Внешние условия изнашивания

1. Структура покрытия. 2. Содержание в покрытии упрочняющих фаз а и у - А1203. 3. Физико-механические и коррозионные свойства.

3. МДО-покрытие

Рис. 2.1. Структурная модель реальной сложной многоуровневой трибологической системы (насос СВН)

В общей схеме единой системы, определяющей изнашивание, изнашивающая среда - условия изнашивания - изнашиваемый материал (МДО-покрытие) нельзя выделять любой из этих трёх звеньев как наиболее важный. Влияние каждого из них одинаково существенно.

Поскольку результат совместного и одновременного участия всех этих трёх компонентов в общем процессе проявляется на материале рабочей поверхности детали, естественно, исследователи при анализе изнашивания главное внимание уделяли рабочим органам машины или агрегата, вышедшим из строя по причине изнашивания. Исходя из этого, основные усилия в области повышения износостойкости и срока службы машин были сосредоточены на поиске таких материалов, которые обладали бы наибольшей способностью к сопротивлению изнашиванию. При этом подразумевалось, что другие два равноправных компонента изнашивания: изнашивающая среда и условия изнашивания являются величинами постоянными.

Разработанные новые или подобранные среди уже существующих при таком подходе износостойкие материалы в иных условиях оказывались менее износостойкими или даже вообще не износостойкими.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ферябков, Александр Витальевич, 2005 год

1.1. Характеристика абразивного изнашивания

2. Обычно вид изнашивания определяется условиями службы деталей. Однако в ряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатации могут соответствовать различные виды изнашивания.

3. Как показал анализ причин износа насосов СВН-80, рабочее колесо и корпусные детали подвержены, в основном, гидроабразивному изнашиванию и изнашиванию в незакреплённой массе абразива.

4. Рис. 2.2. Зависимость относительной износостойкости от отношения твердостей абразива и металла 144.

5. При постоянной твёрдости материала твёрдость и размер абразивных частиц влияют на изнашивание только до определённого значения этих показателей и затем изнашивание остаётся на одном уровне при всех схемах внешнего силового воздействия.

6. Обоснование методики испытаний на изнашивание

7. Разработка модели изнашивания МДО-покрытий23.1. Обзор существующих моделей

8. Существующие расчетные модели изнашивания можно условно разделить на пять типов: эмпирические, полуэмпирические, энергетические, кинетические и синергетические.

9. Эмпирические модели разрабатывали М.М.Хрущев и М.А.Бабичев, В.Тонн, К.Д.Стрэнг, Д.Т.Барвелл и др. Они являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей.

10. При изучении изнашивания металлов, сплавов и минералов о жестко закрепленное абразивное зерно В.Н. Кащеевым, В. Тонном и др. для большого числа испытанных материалов установлена нелинейная зависимость износа от модуля упругости Е:

11. Однако дальнейшее изучение этой зависимости показало, что авторами в опытах не было обеспечено постоянство влияния всех факторов на изнашивание материала. В ходе испытаний у них менялось соотношение значений твердости и абразива и материала.

12. Тем не менее, исследование соотношения твердости абразива и изнашиваемого материала позволило представить их функциональную связь отношением1. U = 0,49-10~4 -Е1'3.1,32.1)2.2)где ф коэффициент;

13. На твердость абразивной частицы.

14. V- скорость скольжения, м/с;

15. Ra высота шероховатостей, м.

16. В нашем случае влияние температуры на значение износа можно не учитывать, в связи с высокими эксплуатационными свойствами МДО-покрытий, отводом теплоты через рабочие органы насоса и трении в жидкой среде, которая является охладителем.

17. Для учета влияния технологических параметров МДО-упрочнения на изнашивание покрытия вводим эмпирический коэффициент у, учитывающий материал детали и режимы МДО.

18. В конечном итоге получаем уравнение, описывающее гидроабразивное изнашивание МДО-покрытий:1. На Р • А • L .1. U = (i--JL--^--P'P'Y'•tl. ьвгv ^1. V-R2.5)

19. С помощью данной модели были рассчитаны и построены теоретические кривые зависимости массового износа МДО-покрытий от различных внешних факторов (рис. 2.3).

20. Зависимость коэффициента трения от номинальной нагрузки при изнашивании МДО-покрытий широко представлена в работах ученых (табл. 2.1).